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岩土研究院

岩土工程设计失败的原因、如何走向成功?

386 2020-12-15 09:49:52

有人问:“何谓岩土工程设计失败?”这个问题看似简单,其实很难回答,更难全面而深入的回答。下面谈些肤浅的看法。

1、设计失败的标志

(1)  安全度不足

岩土工程计算不可能精确,预测只能是近似的,所以必须留有余地。如果安全度不足,那是经不起风吹草动,十分危险的,当然是失败的设计。无论结构设计规范也好,岩土设计规范也好,都有承载能力极限状态的规定,这是一条底线,绝对不能超越。   

(2)功能未能达到预定目标

设计任何一项工程,总有一个既定目标,达不到目标,当然是失败的设计。结构设计规范也好,岩土设计规范也好,都有正常使用极限状态的规定,正常使用极限状态就是功能极限状态。这也是一条底线,不能超越。例如基础的差异沉降不得超过建筑物正常使用的要求,基坑降水必须保证正常施工作业等。

(3)耐久性达不到要求

譬如水和土对混凝土、金属等建筑材料的腐蚀性,如未做好防护,若干年后工程就出问题了。再譬如膨胀土地基,设计时如无针对性措施,工程建成几年、十几年后,产生巨大裂缝,不得不拆除重建。耐久性达不到要求当然也是失败的设计。

(4)场地失稳

这是工程安全的前堤,场地不稳哪里还有工程的安全,更谈不上功能和耐久。造成场地失稳最常见的原因是地质灾害,如滑塌、滑坡、泥石流、岩溶塌陷、采空塌陷、地裂缝等,流土、液化等造成土的强度丧失,发生事故,也属于这类。

(5)严重忽视环境改变对工程、对生态的影响

譬如大挖大填改变了山川形势,整平场地使地表水变急流或缓流,使地下水位升高,或产生新的地下水体,造成边坡失稳,建筑物地基增湿沉降等,就是环境改变对工程的影响。工程建设产生水土污染,或改变周边环境,导致生态失衡、衰退,失去青山绿水的原貌。

2、设计为什么会失败?

(1)设计依据的信息不充分,不可靠

岩土工程设计对信息高度依赖,包括设计前的调查研究和勘察测试,设计中和设计后的检验、监测和施工中的各种信息。信息不充分不可靠而误导设计的事例太常见了。譬如山东某工程,闪长岩残积土勘察报告给的压缩模量仅3.75MPa,按这个指标设计,只能用桩基础,灌注桩要穿过厚层半胶结的卵石和强风化岩,难度大,造价高,工期长。后来做了原位测试,该层土的变形模量达28 MPa,完全可以采用天然地基。至于因地下水位不正确而误导基坑工程设计、误导抗浮设计;未能识别膨胀土,误以为好土,而误导地基基础设计、道路路基设计;未能有效查明岩溶塌陷的地质条件而误导设计,造成事故发生等等,已有很多报道,这里就不多说了。有人可能会说,那是勘察单位的事,不是设计的责任。按我国现行体制,的确如此。但是,设计是技术决策部门,勘察是信息提供环节,按错误信息做的设计,还能说是成功的设计吗?我觉得,岩土工程设计者应当具有鉴别勘察报告的能力,“设计者不懂得勘察,永远只是个计算匠,成不了岩土工程内行;勘察者不深入设计,永远只能在外围徘徊,进不了岩土工程专业核心。”精准的设计来自精准的信息,获取高质量的勘察、测试、检测、监测数据,对设计者是多么重要!有人用提高安全度的办法来对付,提高了工程造价,况且许多问题不是提高安全度可以解决的。

(2)缺乏综合判断能力,犯概念性错误 

我曾多次说过:“不求计算精确,只求判断正确”。我的意思并非不重视计算,没有计算,怎么做设计?而且要力求算好、算准。但是,计算模式离不开假定,而假定与实际间总有差别;计算参数需要测定,但又很难测准,有些岩土参数还无法测试,只能依靠经验,所以计算只能是近似的。因此,岩土工程计算,包括地基基础计算、基坑工程计算、边坡工程计算、地下工程计算等等,都要在分析计算模式和计算参数可靠性的基础上进行综合判断。承载能力和安全度要综合判断;是否达到功能要求要综合判断;耐久性要综合判断:场地稳定要综合判断:工程建设对环境、对生态的影响更要综合判断。综合判断是岩土工程师的基本功,要下一辈子功夫。综合判断能力不强,极易犯概念性错误。大量案例说明,岩土工程设计的失败,主要是概念性错误导致的。上海地鉄4号线越江隧道特大事故,虽然直接原因是施工问题,但设计方面忽视了高承压地下水的巨大水压力是重大失误。武汉18层楼的严重倾斜和炸毁,忽视了饱和软土的挤土效应、极软土侧向约束力的弱小、边坡移动造成桩体的严重倾斜,这些都是概念性问题。个別专家还将群桩失稳误判为不均匀沉降,企图用纠倾的方法纠正过来,结果事与愿违,又犯了概念性错误。某工程有一层湿陷性土,有个设计方案采用CFG桩复合地基,不消除湿陷,企图用CFG增强体将荷载传至深部。这位工程师显然忘记了一个重要概念,CFG是水泥粉煤灰碎石桩与桩间土共同组成的复合地基,不是桩基础。一旦浸水,桩间土湿陷,不仅不能与桩共同承载上部荷载,反而会形成负摩擦,产生下拉荷载,“正能量”变成了“负能量”。因此,岩土工程设计概念高于一切。概念清楚的人,能透过现象,见到本质,举一反三,不会犯原则性的错误。

(3)对影响成败的因素考虑不周,导致设计失败

设计者必须有高度的责任心,以工匠精神精雕细刻,构思方案,勾画蓝图,关注每一个细节。忽视细节,可能会铸成大错。某基坑工程采用锚杆护坡桩支护,在快开挖到设计标高时,突然整排护坡桩齐根倒下。检查后知道,原来是选用的锚杆锁头不合格,产生连锁反应,酿成重大事故。某工程有高度和宽度很大的地下室,因挑出一垮,故设有后浇带。施工期间需采取临时支撑措施,设计者未向施工单位交代清楚。主体工程建到第4层时,由于回填基坑肥槽时未能用不透水材料夯实,雨季肥槽浸水,强大的水压力将外墙撕开一个大窟窿,粗大的钢筋和破碎的混凝土一片狼藉,室内到处是水,肥糟内的回填土和水全部流失。准格尔选煤厂工程建于内蒙古土丘的斜坡上,勘察工作认真细致,做了大量室内土工试验和原位测试,进行了深入的地基承载力和沉降分析。主体工程竣工时,实测沉降都在预估沉降的范围内,并趋于稳定,当时觉得将是一项成功的岩土工程,还准备报奖。但忽略了一点,整平场地改变了地表水的入渗条件,4年后发现地下水位升高,边坡渗水失稳,地基承载力和沉降均不能满足要求,不得不采取工程措施补救,增加了投资,延长了工期。

3、如何走向成功:追求卓越,追求极致

不是失败的设计是否就是成功的设计?恐怕不能这么说,设计成败不是那么黑白分明。如果某项工程的设计,安全度、使用功能、耐久性、场地稳定、环境和生态都没有大问题,但投资大、工期长、技术落后,能说是成功的设计吗?科学成果无论大小难易,要么正确,要么错误,只有是非之分。工程设计既有是非,更有优劣。我们常说,某项设计还有进一步优化的空间,说明对工程设计的评价不是非黑即白,要追求卓越,追求极致。

怎样的岩土工程设计是优秀的设计?工程评奖的获奖条件写得很全面,不用多说。我想强调的是设计创新,没有创新的设计,算不上优秀设计。创新精神是设计师的应有品格,优秀的设计师一定是思想活跃,充满朝气,对新事物十分敏感。当然,设计者拿到的项目多种多样,具体情况各不相同,不见得每个项目都有创新机会,不见得都能评上优秀工程。工程师追求的最高境界,是孔老夫子说的“随心所欲,不逾矩”。就是说,拿到一个工程,无论大还是小,复杂还是简单,有经验还是没经验{譬如从未见过的岩土},要求严还是要求宽,时间紧还是时间松,资料充分还是资料缺乏,都能采用安全、适用而经济的方案,符合科学原理和基本经验,绝对不会犯概念性错误。既能“进什么山,唱什么歌”,灵活选用技术;又严肃认真,个个工程做得完美。

优秀的设计关键在于优秀的人才。现在我国,高水平的设计人才有,但从全国来看还是少数,总体水平不算高。具体表现在:一是高度依赖规范,规范有的按规范做,规范没有的就束手无策;二是理论功底浅,知其然不知其所以然,甚至连有效应力原理也不甚了了;三是参与的工程类型和岩土类型太少,有的一辈子只和一两种岩土打交道,经验非常单一。素质好的设计者有时需要执着,有时更需要灵活;不仅需要学问,更需要经验;不仅需要知识,更需要智慧;不仅需要逻辑思维,更需要辨证思维;不仅需要深,更需要广,要横看成岭侧成峰,更侧重于从宏观、从系统、从整体角度观察和思考问题。易经上说:“形而上者谓之道,形而下者谓之器”。所谓“道”就是理论,指导工程实践,没有理论指导的实践是盲目的实践;所谓“形”就是经验,虽然还不够系统,还没有上升到理论高度,但很实用,岩土工程具有太多的个性,太多的不确定性,经验显得尤其重要;所谓“器”就是一个个具体的工程案例,经验和理论都是在一个个具体案例的基础上,总结、概括、提高得到的。岩土工程设计者要有良好的理论功底,丰富的工程经验,掌握多种多样的工程案例,将道、形、器融会贯通,将实践、经验、理论紧密结合。

值得注意的是,当前急功近利,浮躁之风很盛。夸大自己的成果,夸大自己的经验,夸大自己的能力。有点改进就是创新,就是国际先进水平。有些人眼高手低,不自量力,什么任务都敢接。只图名利,不敢担当;只图快速,不求质量;只想凑合,不求完美,与工匠精神格格不入。

要创新,不要守旧;要担当,不要依赖;要实在,不要浮躁。



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作者:顾宝和

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